Урок 5 Получить доступ за 75 баллов Валентность. Степень окисления. Количество вещества

Атомы соединяются в молекулы в определенных соотношениях.

Приведем пример широко распространённых соединений водорода.

Это связано с количеством электронов на внешнем электронном уровне атома (подробнее про электронные уровни в одном из следующих уроков).

Эти электроны часто называют валентными электронами.

Это значение легко узнать из периодической системы химических элементов: число валентных электронов равно номеру группы, в которой находится химический элемент.

Элементы третьего периода системы химических элементов
Номер группы и число валентных электронов обозначены цифрой в центре клетки. 

Суть химического взаимодействия между двумя атомами состоит в том, чтобы в итоге внешний электронный уровень атома оказался полностью завершенным.

Такое положение похоже на состояние атомов VIII группы – инертных газов (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон).

Атомы этих элементов «самодостаточны», т.е. «не желают» вступать в химические реакции.

Поэтому их ещё называют благородными.

Чтобы получить полностью завершенную внешнюю электронную оболочку, атомы объединяются в таких соотношениях, что получают друг от друга необходимое количество электронов.

Недостающие электроны, которые атом как бы «получает» или «отдаёт», в составе молекулы для обоих атомов являются общими.

То количество электронов, которое атом получает или отдаёт в процессе химической реакции, а следовательно, количество других атомов, которые способен присоединить наш атом, и называется валентностью этого атома.

У некоторых элементов валентность постоянная, но у большинства есть по несколько значений валентности.

Один и тот же элемент в разных соединениях проявляет разную валентность.

Элементов, валентность которых всегда постоянна, немного, и их нужно просто запомнить.

Атомы проявляют валентность только в химических соединениях!

Валентность показывает, сколько электронов «отдал» или «приобрел» атом, но не показывает, отдал атом эти электроны или приобрёл.

Разные элементы обладают разной степенью активности, и в зависимости от этого при реакциях электроны, хотя и являются общими для двух атомов, являются как бы «сдвинутыми» в сторону какого-то одного из них.

Ядро атома заряжено положительно, электроны - отрицательно. В целом атом нейтрален, поэтому такое смещение нарушает эту нейтральность.

Степень окисления – это условный заряд атома в составе молекулы, если предположить, что принятый электрон полностью принадлежит атому, а отданный полностью не принадлежит.

Рассмотрим степени окисления атомов азотной кислоты HNO₃

Известно, что в химических формулах количество атомов в 1 единицу не пишут, но для наглядности мы это сделаем. Получилось H₁N₁O₃

Азотная кислота в природе существует в виде устойчивого соединения, это значит, что сумма всех степеней окисления составляющих ее атомов равна нулю.

Азотная кислота состоит из 1 атома водорода, 1 атома азота и 3-х атомов кислорода.

Водород имеет степень окисления +1

Кислород имеет степень окисления -2

Посмотрим на алгоритм определения степени окисления:

Вам придется часто определять степени окисления веществ в составе молекул.

Это просто. Главное надо знать степени окисления атомов, там, где вариантов немного или всего один.

Зная, что сумма всех произведений степеней окисления в одной молекуле равна нулю, мы сможем очень легко определить неизвестную степень окисления.

Рассмотрим алгоритм определения степени окисления азота в молекуле азотистой кислоты.

Часто степень окисления и валентность совпадают. Но это происходит не всегда. Наиболее ярко это различие проявляется в простых веществах, образованных некоторыми газами, но также проявляется и в других соединениях.

Главное отличие степени окисления от валентности: валентность не имеет знака, а степень окисления имеет знак.

Положительное число говорит об отдаче электрона (т.к. заряд электрона отрицательный), отрицательное – наоборот.

 Высшая положительная степень окисления элемента равна номеру группы периодической системы.

Большинство элементов имеют переменную степень окисления.

Например, марганец имеет степень окисления в разных его соединениях +2, +3, +4, +6, +7

В природе элементы встречаются в таких соединениях, где проявляют самую устойчивую степень окисления.

До этого речь шла об отдельных атомах и молекулах.

Но химики не работают с индивидуальными молекулами.

Например, формула поваренной соли NaCl. Содержание атомов натрия и хлора в этом веществе относятся как 1:1.

Значит ли это, что для получения соли нужно взять равные массы натрия и хлора?

Нет, потому что у этих атомов разные массы, а значит, в одном килограмме натрия и в одном килограмме хлора будет содержаться разное количество молекул.

Поэтому химики измеряют количество вещества в таких единицах, которые обозначают не массу, а количество молекул (или атомов – в тех случаях, когда речь идет о простых веществах, молекулы которых одноатомны).

Такое количество вещества химики назвали «моль» (от слова «молекула»).

Для простоты обозначений химики постановили, что моль – это количество вещества, содержащее такое число молекул, которое совпадает с числом атомов в 12 г углерода.

1 моль любого вещества имеет такую массу, которая численно равна молекулярной массе данного вещества, выраженной в атомных единицах массы. Например, относительная атомная масса меди равна 64, значит, 1 моль меди имеет массу 64 грамма. Масса вещества, взятого в количестве 1 моль, называется молярной массой и выражается единицами г/моль. Молярная масса меди равна 64 г/моль.

Из этого следует важный вывод: 1 моль любого вещества содержит одно и то же число молекул, хотя и имеет для разных веществ разную массу.

Число частиц в 1 моле вещества называется постоянной Авогадро, которая равняется N_A=6,022 140 76 · 10 ²³ моль^-1

Обычно при решении задач используют укороченное значение постоянной Авогадро N_A=6 · 10 ²³ моль^-1

Обратите внимание на размерность постоянной моль^-1

В математическом виде это обозначается так:

Таким образом, независимо от того, сколько весит вещество, 1 его моль будет содержать всегда одинаковое количество атомов, равное 6,022 · 10 ²³ единиц.

Необходимо учитывать, что некоторые авторы используют выражение число Авогадро (именно "число", а не "постоянная"), при этом размерность в виде моль^-1 не употребляют, а просто используют число 6,022 · 10 ²³

Никакого противоречия здесь нет, все наоборот, очень логично! Ведь постоянная Авогадро - это соотношение числа Авогадро к одной моли.

Зная количество вещества, можно судить о числе частиц в определенной его порции и брать вещества для реакций в необходимых количествах.

На картинках ниже вы увидите, какой объем занимает одинаковое количество разных веществ, равных одной моли.